Применение методики развития пространственного мышления на занятиях инженерной и компьютерной графике

Аннотация: В статье дано определение пространственного мышления, перечислены умения для формирования у студентов пространственного воображения, так же определены уровни сформированности пространственного представления. Приведены технологии, позволяющие освоить больший объем знаний и умений за значительно меньшее время и повысить качество результатов учебной работы.
Ключевые слова: пространственное мышление, анализ детали, создание образа, пространственный образ.


Пространственное мышление - вид умственной деятельности, обеспечивающий создание пространственных образов и оперирование ими в процессе решения практических и теоретических задач. Это сложный процесс, куда включаются не только логические (словесно-понятные) операции, но и множество действий, без которых мышление протекать не может. Опознание объектов, представленных реально или изображённых различными графическими средствами, создание на этой основе адекватных образов и оперирование ими по представлению. Как разновидность образного мышления, пространственное мышление сохраняет все его основные черты, и тем самым отличается от словесных форм мышления. Это различие проявляется в том, что пространственное мышление оперирует образами; в процессе этого происходит их воссоздание, перестройка, видоизменение в требуемом направлении. Образы являются и исходным материалом, и основной оперативной единицей, и результатом мыслительного процесса. Это не означает, что при этом не используются словесные знания. Но, в отличие от словесного мышления, где словесные знания являются основным содержанием, в образном мышлении слова используются как средства интерпретации уже выполненных в образах преобразований.

Пространственное мышление формируется на всех этапах обучения под влиянием различных обучающих воздействий
Проблемой формирования пространственного мышления, пространственного воображения у студентов техникума являются пространственные представления, без которых освоить графические дисциплины просто невозможно. Развитие воображения – важнейшее условие овладения умением разрабатывать и читать чертеж и графической деятельностью в целом. Вместе с тем процесс обучения инженерной графике служит одним из наиболее важных средств развития воображения.

Важнейшим условием, обеспечивающим формирование представлений о технических деталях, является обучение студентов техникума приемам рассмотрения и запоминания деталей, а также и приемам их воспроизведения по памяти. На уроках студенты обучаются приемам анализа детали: мысленного ее расчленения на простые геометрические тела, из которых она состоит, и выделения всех ее элементов (выступов, выемок, отверстий, пазов и т. д.). Это в свою очередь требует мысленного проведения границ каждого геометрического тела (там, где в детали эти тела не разграничены).

Кроме того, нахождение геометрических тел предъявляет требования к приемам абстракции: студенты должны мысленно выделить в каждом геометрическом теле его существенные признаки. Так, например, студенты под руководством преподавателя рассматривают брусок прямоугольной формы с пазом. Они констатируют, что этот брусок представляет собой сочетание нескольких прямых четырехугольных призм, и показывают их существенные признаки (два основания равны и параллельны, боковые грани — прямоугольники); аналогично они рассматривают форму паза и общую форму бруска.

Важнейшим принципом, направленным на обучение, является следующее положение: в начале усвоения нового материала в курсе инженерной графики студенты обучаются элементарным приемам, которые характеризуются дополнительной опорой на наглядный материал, а затем методика должна обеспечить перестройку приемов так, чтобы студент создавал образы без дополнительной опоры, т.е. мысленно, деятельностью воображения. Переход студентов от действий с дополнительной опорой к мысленным при формировании образов воображения выявляет закономерность, состоящую в том, что в усвоении знаний и умений большую роль играет переход от фактических действий, или действий с наглядным материалом, к мысленным действиям, т. е. к действиям в уме.
Этот переход должен осуществляться своевременно. Если студентов слишком долго обучать «наглядным» способам учебной работы, не включающим деятельность воображения, то это может затруднить развитие их пространственных представлений детали.

В дальнейшем студенты обучаются приемам создания образов с помощью деятельности воображения. Преподаватель предлагает воспроизвести мысленно те действия, которые они выполняли фактически, при усвоении наглядного приема: представить трехгранный угол и стоящую в нем техническую деталь, мысленно провести перпендикуляры из его вершин на грани трехгранного угла, представить проекции на эти грани, мысленно повернуть правую и нижнюю грани.

После этого студенты обучаются более сложному для них приему. Преподаватель ставит перед ними следующую задачу: научиться представлять проекции заданной детали без опоры на дополнительные образы, т.е. не представляя трехгранный угол. Этот прием создания образа заключается в следующем: рассмотрев форму детали, мы последовательно мысленно «видим» ее три плоскостных изображения. Иначе говоря, мы последовательно представляем себе три проекции в соответствующих местах на листе бумаги и затем зарисовываем их. Переход к этому способу характеризуется тем, что исчезает опора на дополнительные представления, что связано с усложнением деятельности воображения. При овладении этим способом многие студенты испытывают затруднения. Они не могут «увидеть» предмет в «плоскостном виде», т. е. они не могут отвлечься от третьего измерения. Если студентам удается представить мысленно ту или иную проекцию предмета, то этот образ легко исчезает или искажается. В целях преодоления трудностей студенты возвращаются к предыдущему приему: они создают образ с помощью дополнительных представлений.

Важное место в курсе инженерной графики занимает овладение приемами, которые нужны студентам для создания образов при чтении чертежа. Преподаватель объясняет студентам, что чтение чертежа включает:
- рассмотрение чертежа (включая все его детали и условные обозначения) и соотнесение его элементов по трем проекциям;
- создание образа предмета на основе этого чертежа. Этот последний процесс является сложным и имеет две неразрывно связанные стороны.

Во-первых, студент мысленно объединяет три проекции, т.е. синтезирует их, и, во-вторых, он мысленно наполняет проекции третьим измерением.

Для определения сформированности у студентов пространственного воображения можно принять следующие умения:
1. Распознавать данный объект среди объектов реальной действительности.
2. Распознавать объект среди изображений.
3.Устанавливать взаимосвязи между словом, представлением, изображением и объектом реальной действительности.
4. Воспроизводить в воображении объект (представления памяти.)
5. Воспроизводить представления памяти (словесно, графически, в виде модели.)
6.Создавать в воображении новые объекты (представление воображения)
7. Воспроизводить представления воображения (словесно, графически, в виде модели.)

На основе этих умений определяются уровни сформированности пространственного представления у студентов.

Уровень I (Аккумулятивный). Накопление и узнавание пространственных признаков и отношений. Студенты накапливают разнообразные пространственные представления, учатся узнавать разнообразные пространственные объекты, их отдельные признаки и отношения. Они могут дать название объекту, найти его на рисунке среди предметов реальной действительности. (умение 1-4).

Уровень II (Репродуктивный). Воспроизведение представления памяти. У студента развита способность воспроизводить (в представлении, словесно, на рисунке, в виде модели) известные им пространственные признаки и отношения. У них значительно расширился запас пространственной терминологии, накапливаются разные виды пространственного представления и отношений: студенты умеют устанавливать связи между пространством, количествами и временными представлениями. Слово уже приобретает сигнальное значение и вызывает у студента соответствующее представление (умение 1-5).

Уровень III (Конструктивный). Самостоятельное конструирование пространственного образа. Студенты активно используют как опору в мыслительной деятельности уже оформленные представления в синтезе с количественными и временными отношениями. Они умеют давать словесное описание пространственных признаков и отношений, опираясь на отдельные элементы пространственных понятий (о форме, величине, расстоянии и др.) На основе сформированных пространственных представлений они создают новые представления и оперируют ими, пользуясь словесным описанием, числовыми данными, рисунками (умение 1-5, частично 6,7).

Уровень IV (Интеллектуальный). Мысленное оперирование пространственными представлениями. У студента богатый запас пространственного представления, терминологии, они легко дифференцируют пространственные признаки и отношения. Для этого уровня характерно уже умение перемещать мысленно пространственные объекты (симметрия, перенос, поворот), находить на рисунке положение фигуры после её перемещения, вид перемещения и т.д. (умение 1-7)
Уровни между собой тесно связаны, переплетаются и можно полагать, что каждый предшествующий является основной, подготавливающей последующий. При формировании пространственного представления эти уровни могут сосуществовать при оперировании разным содержанием у одних и тех же студентов и одним и тем же содержанием у разных студентов.

Особое место в формировании представлений отводится чтению и построению графических изображений. При построении графического изображения главной задачей является перевод представления об объекте в плоскостное его изображение, при чтении решается противоположная задача: на основе восприятия плоскостного изображения мысленно, в представлении, воспроизводится форма, размеренность, положение объекта и выясняются необходимые сведения, взаимосвязи и отношения. Представления об объекте при чтении и построении графических изображений формируются не только в результате непосредственного узнавания или припоминания, а в результате целой системы умственных действий, направленных на преобразование данных восприятия и мысленное воспроизведение образа. Чтение и построение нельзя свести непосредственно к навыкам, они являются осмысленными умениями, в которых лишь отдельные действия автоматизированы.

Так же важнейшей задачей является обучение студентов процессом проектирования, осуществляемого средствами графики.
В процессе изучения инженерной графики надо научить студентов аккуратно работать, правильно организовывать рабочее место, рационально применять чертежные и измерительные инструменты.
Большая часть учебного времени выделяется на выполнение упражнений и самостоятельную работу. Наряду с репродуктивными методами обучения необходимо использовать методы проблемного обучения, вовлекая студентов в процесс сотворчества.
Изучение теоретического материала должно гармонично сочетаться с выполнением обязательных графических работ. Конкретный материал подбирает для них преподаватель. Очередность и сроки выполнения работ также определяет преподаватель.
В процессе обучения инженерной графике необходимо широко пользоваться наглядными учебными пособиями: таблицами, моделями, деталями, различными изделиями, чертежами и т. д. Рекомендуется также использовать современные технические средства обучения (по возможности, контролирующие и обучающие программы автоматизированных обучающих систем с широким использованием средств машинной графики).
Все графические работы должны выполняться с соблюдением правил и техники оформления чертежей, установленных стандартами.
Индивидуальные графические работы выполняются на отдельных листах соответствующих стандартных форматов. Их затем брошюруют и подшивают в альбом. Тренировочные и фронтальные упражнения выполняются в рабочих тетрадях формата А4 (на бумаге в клетку).
Оптимальным условием обучения является гармония политехнической и эстетической, гуманитарной направленности обучения инженерной графике, реализация творческих способностей личности учащегося. Такой подход позволяет выявлять и развивать разносторонние склонности и способности студентов.

Основным направлением модернизации промышленности является комплексная информатизация, от которой зависят сроки и качество проектирования изделий, и производительность труда конструкторов и проектировщиков. Поэтому важным требованием графической подготовке является полная информатизация, переход к электронному документообороту благодаря внедрению современных средств компьютерной графики. Непрерывное совершенствование систем САПР позволяет выполнять в автоматизированном режиме все большее количество инженерных задач, связанных с проектированием изделий различного назначения на основе их компьютерных трехмерных моделей. При этом существенно изменяются сами системы САПР, которые дополняются новыми командами, функциями и модулями. Это позволяет создавать не только двумерные и трехмерные графические объекты, но осуществлять инженерные расчеты на прочность, теплопроводность и технологическую подготовку, связанную с изготовлением деталей с использованием оборудования с ЧПУ и др. При этом сокращается время этапов проектирования, связанных с выполнением однообразной и рутинной работы. Все это указывает на необходимость изменения методики преподавания и содержания учебных планов графических дисциплин. Главной целью традиционной «ручной» графической подготовки было развитие пространственного мышления на базе методов проекционного черчения и овладение технологией черчения с помощью обычного чертежного инструмента.

Современная графическая подготовка основана на использовании 3D технологий, которые значительно повышают производительность и качество моделирования. Задача техникума в области подготовки на втором курсе состоит в овладении фундаментальных основ геометрического моделирования, а также изучение прикладных инструментальных средств информационных графических технологий. Такие технологии позволяют освоить больший объем знаний и умений за значительно меньшее время и повысить качество результатов учебной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коротков, Э.М. Управление качеством образования: учеб. пособие для вузов / Э.М. Коротков. – М.: Академ. проект: Мир, 2006. – 320 с.
2. Кравченя, Э.М. Технические средства обучения: учеб. пособие / Э.М. Кравченя. – Минск: Выш. шк., 2005. – 304 с.
3. Ярошевич, О.В. Инновации в графической подготовке студентов / О.В. Ярошевич // Образовательные технологии в преподавании графических дисциплин: материалы II Республ. науч.-практ. конф., Брест, 18 – 19 мая 2007 г.; Брестский гос. техн. ун-т; редкол.: В.В. Тур [и др.]. – Брест, 2007. – C. 89 – 92.
4. Скоков, П.И. Опыт постановки учебного процесса на основе сквозной компьютеризации / П.И. Скоков // Формирование творческой личности инженера в процессе графической подготовки: материалы республ. науч.-практ. конф., Витебск, 5 дек. 2008 г.; Витебск. гос. технолог. ун-т; редкол.: В.В. Пятов [и др.]. – Витебск, 2008. – С. 17 – 19.
5. Рукавишников, В.А. Геометро-графическая подготовка инженера: роль и место в системе образования / В.А. Рукавишников // Образование и наука. Журнал теоретических и прикладных исследований. – 2009. – № 5(62). – С. 32 – 37.
6. Педагогические технологии: учеб. пособие для студентов пед. спец.; под ред. В.С. Кукушина. – Серия «Педагогическое образование». – М.: ИКЦ «Март»; Ростов н/Д: Издат. центр «Март», 2004. – 336 с.